航空小結(jié)構(gòu)件焊接變形預(yù)防及控制

王 琨

（航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司18 廠，西安 710077）

焊接是機(jī)械制造過(guò)程中較為重要的加工工藝之一，鋼材焊接采用的熔化焊方法是在焊接處局部加熱，使被焊接材料與添加的焊接材料熔化成液體金屬，形成熔池，隨后冷卻凝固成固態(tài)金屬，使原本分開(kāi)的鋼材連接成整體，因加熱、冷卻這種變化在局部范圍急速地進(jìn)行，膨脹和收縮變形均受到拘束而產(chǎn)生塑性變形。 因此采用焊接工藝加工制造時(shí)，難免會(huì)產(chǎn)生焊接零件變形，很難保證零件形位及尺寸要求。 所以使用焊接工藝加工零件時(shí)，預(yù)防及控制焊接零件變形是零件設(shè)計(jì)和焊接工藝首先應(yīng)考慮的問(wèn)題。

1 零件焊接變形的影響因素

1.1 材料

不同材料的零件焊接時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的焊接變形量，變形量的大小和零件材料性能有關(guān)[1]，一般熱傳導(dǎo)系數(shù)越小，溫度梯度越大，焊接變形就會(huì)越顯著，并且隨著熱膨脹系數(shù)的增加焊接變形相應(yīng)增加。 設(shè)計(jì)選擇焊接零件材料時(shí)應(yīng)考慮材料的焊接性能，可考慮選擇硬度較低，塑性、韌性好，焊接后不需進(jìn)行任何熱處理焊縫就能達(dá)到較高力學(xué)性能，且對(duì)熱裂紋不敏感的材料。

1.2 焊接結(jié)構(gòu)

不同結(jié)構(gòu)的焊接零件，會(huì)有不同的焊縫形式、焊接方法和焊接變形量，而且變形量的大小隨零件結(jié)構(gòu)形式和焊接方法的差異而不同。

1.2.1 焊接零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫數(shù)量較多

零件在焊接時(shí)，焊縫越少、結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單，相應(yīng)的焊接變形也會(huì)越??； 結(jié)構(gòu)復(fù)雜的焊接零件，焊縫數(shù)量多且焊接變形量大。 比如斗體零件 （如圖1 所示），是由很多板片拼接在一起，斗體內(nèi)部的十字加強(qiáng)板片也是相互焊接成形。 由于拼接斗體的板片數(shù)量多，焊縫數(shù)量也隨之增多，焊接成形后焊接零件變形嚴(yán)重，尺寸很難滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 斗體零件焊接示意圖

1.2.2 薄壁零件焊接，焊縫尺寸過(guò)長(zhǎng)

生產(chǎn)加工中，焊接薄壁零件時(shí)，零件上的焊縫尺寸不宜太長(zhǎng)，特別是當(dāng)零件焊接后有嚴(yán)格的尺寸公差要求時(shí)更是如此。 圖2 所示為長(zhǎng)焊縫薄板零件焊接示意圖，焊接零件時(shí)，零件的變形量與單位長(zhǎng)度上焊絲的金屬熔敷量成正比，零件的焊縫尺寸越長(zhǎng)，焊絲的金屬熔敷量越大，造成零件變形量也就越大，焊接后零件無(wú)法滿足尺寸公差要求。

1.2.3 焊接小結(jié)構(gòu)零件，焊接部位變形要求嚴(yán)格

圖2 長(zhǎng)焊縫薄板零件焊接示意圖

焊接結(jié)構(gòu)零件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足實(shí)用性、可靠性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于一個(gè)具體焊接產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，這些基本要求必須統(tǒng)籌兼顧[2]，焊接小結(jié)構(gòu)零件，且焊接部位變形有嚴(yán)格要求的焊接零件，實(shí)用性和工藝性成為了零件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。 如圖3所示，焊接結(jié)構(gòu)零件本身較小，且焊接處為薄板與類似管狀零件焊接，零件對(duì)焊接處的內(nèi)孔要求嚴(yán)格，內(nèi)孔為裝配用孔，所以焊接時(shí)不能有太大的變形，導(dǎo)致零件從實(shí)用性和工藝性上都有較大的挑戰(zhàn)性。

圖3 小結(jié)構(gòu)零件焊接示意圖

1.3 焊接工藝

焊接工藝對(duì)焊接變形的影響較大，在各種影響焊接變形量工藝因素中，焊接順序及焊接零件坡口、根部間隙對(duì)焊接變形的影響較常見(jiàn)[3]。 一般情況下，改變焊接順序可以改變殘余應(yīng)力的分布及應(yīng)力狀態(tài)，靈活地減少焊接變形； 焊接零件的坡口及根部間隙的大小與焊絲的金屬熔敷量成正比，直接影響焊接零件的變形量大小。

2 焊接零件變形的預(yù)防及控制

2.1 設(shè)計(jì)合理的焊接結(jié)構(gòu)

2.1.1 減少零件焊縫數(shù)量

鋼材零件的焊接一般要求焊后保證零件整體的強(qiáng)度要求，因此零件上經(jīng)常會(huì)有多道焊縫，焊縫數(shù)量越多就會(huì)使焊接變形量越大，此類焊接零件的焊接變形量的控制非常困難。 為了保證焊接后零件的尺寸公差，可預(yù)先采取兩種方案，一是焊接留余量法，二是減少焊縫數(shù)量[4]。 焊接前留余量，焊接后再對(duì)變形零件進(jìn)行機(jī)械加工來(lái)保證零件最終尺寸要求，此方法雖然對(duì)于焊接后變形量大的零件有很好的矯正效果，但必須要求零件焊接后有可進(jìn)行機(jī)械加工的基準(zhǔn)面，所以此方案在控制零件焊接變形上有局限性。 比如圖1 斗體零件焊縫數(shù)量過(guò)多，焊接后零件整體產(chǎn)生變形，很難找到合適的機(jī)械加工基準(zhǔn)面。 對(duì)于此類零件，就可通過(guò)減少焊縫數(shù)量來(lái)減小焊接零件的變形量。 另外，還可以考慮對(duì)復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)零件部分采用其他加工方法，例如圖1 斗體零件的下半部分斗體就可選用鑄造的方法加工，然后再與零件上半部分進(jìn)行焊接，這樣大大減少了焊縫數(shù)量，降低了焊接變形量。

2.1.2 合理設(shè)計(jì)焊縫長(zhǎng)度尺寸

生產(chǎn)加工焊接零件時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到薄壁大板片零件進(jìn)行金屬熔敷性焊接。 例如圖2 所示零件焊接時(shí)，焊縫較長(zhǎng)，焊接零件又屬于薄壁零件，在經(jīng)過(guò)連續(xù)的金屬熔敷性焊接后，零件焊縫處的熱輸入量直線上升，薄壁大板片零件整體變形嚴(yán)重，無(wú)法滿足實(shí)際加工尺寸要求。 所以在焊接類似薄壁大板片零件時(shí)，考慮到焊縫強(qiáng)度及零件密封性都能滿足零件使用要求的前提下，可以將零件的整段長(zhǎng)焊縫改為分段焊接 （如圖4 所示），通過(guò)減小焊縫的長(zhǎng)度減少焊接金屬的熔敷量，最終達(dá)到減少焊接零件變形量的目的。

圖4 薄板零件分段焊接示意圖

2.1.3 改變精密小零件裝配形式

焊接工藝在機(jī)械加工制造中屬于比較粗糙的加工工藝，當(dāng)焊接零件較小時(shí)，由于焊接變形的影響，會(huì)使零件很難達(dá)到設(shè)計(jì)的尺寸要求[5]，并且越小零件的焊接變形越明顯，而且不易對(duì)其進(jìn)行尺寸校正 （圖3）。 對(duì)于結(jié)構(gòu)較小的薄板和管狀零件，焊接時(shí)極容易產(chǎn)生變形，應(yīng)盡量避免填充焊絲來(lái)減小變形，但考慮到零件實(shí)用性的要求，不加焊絲不能達(dá)到零件的使用強(qiáng)度，最終從零件的裝配結(jié)構(gòu)形式上進(jìn)行改進(jìn)。 圖5 所示為小結(jié)構(gòu)零件的過(guò)盈配合方式，在管狀零件的擬焊接處將兩種裝配零件尺寸設(shè)計(jì)為過(guò)盈配合尺寸，焊接部位無(wú)間隙，焊接時(shí)只需填充少量焊絲，并且零件為過(guò)盈緊配合，焊接零件變形量受到束縛力作用而變小。 圖6 為過(guò)盈配合試件的焊縫宏觀形貌，從圖6 可以看出，其熔深約為 0.2 mm，且焊接熱影響區(qū)主要位于側(cè)壁。 這說(shuō)明焊接時(shí)熱量主要集中在側(cè)壁，熱量向焊接圓柱面?zhèn)鬟f較少，有利于減小焊接變形量。

圖5 更改結(jié)小構(gòu)零件焊縫為過(guò)盈配合

圖6 過(guò)盈配合試件宏觀金相圖

2.2 采用合理的加工工藝

2.2.1 制定合理的焊接順序

影響焊接零件變形的工藝因素有很多，對(duì)于有多道焊縫的焊接零件，首先考慮的就是如何有序地焊接[6]，保證零件的最小變形量。 焊接順序?qū)附幼冃蔚挠绊戄^為顯著，選擇不合理的焊接順序和焊接方法會(huì)使零件變形產(chǎn)生累積，最終導(dǎo)致零件變形大，尺寸不合格。 例如某個(gè)圓盤狀零件，外面需要配套焊接一個(gè)環(huán)形零件，環(huán)形零件的接頭處也是由焊接成形的，如果選擇先焊環(huán)形零件，再將環(huán)形零件套在盤狀零件上配套焊接在一起，此時(shí)由于環(huán)形零件在焊接時(shí)有變形，當(dāng)再裝配到圓盤上時(shí)，與盤狀零件配套產(chǎn)生了較大的間隙，焊接后兩零件的同軸度差，會(huì)影響零件的繼續(xù)加工。 如果選擇先不焊環(huán)形零件的焊接接頭處，將環(huán)形零件配套在盤狀零件上并調(diào)整好兩零件的間隙后再焊接環(huán)形接頭及兩個(gè)零件，這樣就可以很好地控制兩零件的變形量，滿足零件的同軸度要求。 因此，焊接順序和焊接方法的選擇對(duì)于零件焊接的變形有顯著的影響。 不合理的焊接順序，不但會(huì)使零件的焊接變形量不斷累積增大，有時(shí)會(huì)直接影響焊接零件使用且可能造成不可通過(guò)矯正釋放的焊接變形量。 圖7 所示為上下封閉式焊接零件，該零件焊接時(shí)，需將零件上端面與下底面分別裝配零件焊接，如果直接選擇將上端面與下底面零件直接裝配進(jìn)行一次性焊接成形，會(huì)導(dǎo)致零件中間部位產(chǎn)生明顯的焊接變形，出現(xiàn)零件中間部位鼓包現(xiàn)象，并且由于零件的上端面與下底面都已經(jīng)焊接成形，零件由于變形產(chǎn)生的鼓包現(xiàn)象無(wú)法再通過(guò)矯正變形來(lái)進(jìn)行消除，所以焊接此類零件不能一次性進(jìn)行裝配焊接，可先將零件與上端面焊接成形，之后可通過(guò)矯正焊接變形量，使首次產(chǎn)生的焊接變形量減小或消除，再進(jìn)行第二次焊接，將零件與下底面進(jìn)行焊接成形，這樣可以大大減小零件的變形量，獲得合格的焊接零件。

圖7 上下封閉式焊接零件

2.2.2 合理設(shè)計(jì)焊接坡口及根部間隙

采用金屬熔敷法焊接零件時(shí)，角接焊及對(duì)接焊縫零件都需先機(jī)械加工焊接坡口，保證零件焊接質(zhì)量強(qiáng)度要求，尤其當(dāng)零件焊接后有尺寸公差要求時(shí)，坡口角度不易太大。 零件焊接坡口太大時(shí)，焊接時(shí)金屬的熔敷量增加[7]，焊接熱輸入量增大，導(dǎo)致零件焊縫處變形量增加。 例如管嘴零件焊接時(shí) （如圖8 所示），坡口太大會(huì)導(dǎo)致管嘴零件根部收縮變形量增大，無(wú)法保證圖樣尺寸要求，適當(dāng)?shù)臏p小坡口尺寸可以控制焊縫處的焊接變形量。

圖8 管嘴零件焊接處坡口示意圖

2.2.3 嚴(yán)格控制焊接前的零件裝配間隙

圖9 零件根部間隙配合

零件在焊接時(shí)一般由多個(gè)零件組成，焊接前必須先對(duì)多個(gè)零件進(jìn)行裝配，然后再對(duì)其進(jìn)行焊接。 焊接前零件的裝配也是保證焊接零件焊后質(zhì)量的一種預(yù)防措施，零件在裝配焊接時(shí)，可按設(shè)計(jì)尺寸要求進(jìn)行零件裝配，并且考慮到零件的焊接變形，可適當(dāng)預(yù)留焊接變形余量，但是裝配零件時(shí)對(duì)于零件焊接部位的間隙必須加以嚴(yán)格控制，焊接部位接合面應(yīng)具有嚴(yán)格的要求，接合部位不應(yīng)該存在較大的間隙，裝配零件彼此應(yīng)該貼合緊密。 圖9 所示為某零件根部間隙配合，焊接結(jié)構(gòu)零件是由筒體與板片組成，將板片零件焊接在筒體上，并且有尺寸要求。 類似此類零件焊接時(shí)，焊接處的裝配間隙在零件設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮，板片與筒體之間的配合雖然不要求過(guò)盈配合，但也應(yīng)該緊密貼合，不能有較大間隙存在，因?yàn)楹缚p金屬在凝固和冷卻過(guò)程中，體積要發(fā)生收縮，這種收縮使焊件產(chǎn)生變形，焊縫金屬的收縮量取決于熔化金屬的數(shù)量，而焊接處間隙過(guò)大時(shí)，填充的焊絲量隨之增加，最終導(dǎo)致零件的收縮量增大，收縮變形后的零件不能滿足零件尺寸要求[8]。 所以，此類焊接結(jié)構(gòu)零件在焊接前一定要嚴(yán)格控制焊接零件之間的裝配間隙，增加零件的裝配尺寸公差配合度要求，保證零件裝配時(shí)緊密貼合。 如果零件裝配焊接時(shí)，在滿足零件的焊接尺寸要求下，焊接零件根部仍然存在較大的間隙時(shí)，可以在焊接時(shí)采用剛性固定方法[9]，使用焊接夾具將焊接零件剛性固定，焊接時(shí)可有效地控制焊接零件的角度變形與收縮變形，保證焊接后零件尺寸要求。

3 焊接變形的矯正

零件焊接后，只能通過(guò)矯正措施來(lái)減小或消除已經(jīng)發(fā)生的焊接變形。 矯正的方法主要有機(jī)械矯正和加熱矯正兩種。

3.1 機(jī)械矯正法

采用壓力機(jī)、矯正機(jī)或手工錘擊等機(jī)械方法使焊件產(chǎn)生新的塑性變形，以使原來(lái)縮短的部分得以延伸，達(dá)到矯正變形的目的[10]。 可以利用螺旋、氣動(dòng)、液壓器具加外力矯正。 機(jī)械矯正法對(duì)于塑性差的高強(qiáng)鋼慎用。 有些零件硬度較大，塑性差，而且零件本身較大時(shí)，可以在焊接零件前加大零件焊前尺寸，預(yù)留出焊接變形后可加工余量，焊接后用機(jī)械加工變形零件可加工余量尺寸，滿足產(chǎn)品焊后尺寸公差要求，達(dá)到焊接后機(jī)械加工矯正的目的。

3.2 加熱矯正法

利用火焰加熱時(shí)產(chǎn)生的局部壓縮塑性變形，使較長(zhǎng)的金屬在冷卻后縮短消除變形。 一些變形量不大、且材料硬度不高的變形零件，可以用氣焊焊炬的火焰對(duì)焊縫變形處進(jìn)行加熱，加熱后可用木質(zhì)榔頭對(duì)零件進(jìn)行敲打熱矯正，使零件恢復(fù)形變，滿足要求尺寸。 本法簡(jiǎn)單，機(jī)動(dòng)靈活，適用面廣，使用時(shí)應(yīng)注意控制加熱位置和溫度。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，焊接零件的結(jié)構(gòu)、零件焊接順序以及焊接零件根部間隙及坡口都會(huì)對(duì)焊接零件的變形產(chǎn)生不同程度的影響，針對(duì)不同的焊接結(jié)構(gòu)零件，可以從設(shè)計(jì)和工藝方面著手解決，不同的焊接結(jié)構(gòu)零件設(shè)計(jì)可以從焊縫數(shù)量、焊縫長(zhǎng)度尺寸及較小結(jié)構(gòu)零件焊接形式考慮采用減少焊縫數(shù)量，減小焊縫長(zhǎng)度及合理化的更改較小零件的焊接坡口形式，預(yù)防及控制焊接變形量； 工藝方法上，可采取合理的焊接加工順序，加工合適的焊接坡口及焊縫間隙，控制焊接零件的變形量。 焊接變形對(duì)產(chǎn)品的性能、尺寸精度和穩(wěn)定性產(chǎn)生不可忽略的影響，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量，所以對(duì)焊接變形控制的研究是有必要的。 隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，焊接變形的控制方法也需要在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷改進(jìn)和完善。